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文章编号:1008-0570(2010)06-2-0006-02
《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2010年第26卷第6-2期
基于PowerPC架构多核处理器嵌入式系统硬件设计TheHardwareDesignofEmbeddedSystemforMulti-coreProcessorBasedonPowerPC
Architecture
(中国科学院声学研究所)
王长清岑凡蔡惠智
WANGChang-qingCENFanCAIHui-zhi
摘要:介绍了基于PowerPC架构的信号处理与存储嵌入式系统设计方案和系统中PowerPC双核处理器MPC81D的主要特征,着重阐述了系统中电源、时钟、存储等电路模块的实现,并对硬件中的优化设计和实现中的关键技术进行了简要说明。关键词:PowerPC;多核处理器;嵌入式系统
文献标识码:B中图分类号:TP274
技
术创新
Abstract:Inthepaper,themainfeaturesofmulti_coreprocessorofPowerPC--MPC81Dareintroducedatfirst,andembeddedlinuxsystemforsignalprocessingandstoreusingMPC81DbasedonPowerPCispresented.Theimplementationsaredescribedindetail,includingpowercircuit,clockcircuit,storecircuitetc.Thepivotaltechnologiesandoptimalhardwaredesignarediscussedbriefly.Keywords:PowerPC;Multi-coreProcessor;EmbeddedSystem
1引言
由于高速设计和热问题解决的复杂性意味着仅仅靠提高处理器工作频率已经无法满足不断增长的系统性能要求,系统设计工程师转向多内核架构处理器而不是更高频率的器件来实现系统性能的提高。串行/解串器(SerDes)技术能够实现各个模块的高速互连,越来越多的高性能的嵌入式系统设计采用符合ATCA和uTCA等业界标工业标准架构的模块化设计,实现组件复用,从而降低总的系统成本,减轻设计师的设计负担,缩短产品的上市时间。
本文结合高性能MPC81D双核处理器的特性,设计了一种具有Altivec矢量处理技术,集成SerialRapdiIO、千兆以太网口、SATA2等多种高速数据接口和高速串行总线互连技术的嵌入式信号处理与存储ATCA结构硬件平台。该平台优异集成功能,意味着更少的板卡数量和更高的处理密度,支持互联网、电信、军事、存储以及普遍计算等嵌入式高端应用。
个DDR2控制器、可编程中断控制器、串LocalBus控制器、IIC、
口控制器。尤其令人印象深刻包括4个千兆以太网控制器和支持SerialRapidIO和PCIExpress的两个SerDes接口高速I/O,提供了高性能的系统互连。MPC81D具体资料可见参考文献。
3.2电源电路和上电顺序控制功能的实现
一个准确和稳定的电源对于系统的正常工作至关重要,针对本设计,主要考虑以下两方面的因素:功率匹配和上电顺序。首先,计算需求电压的种类及其功率大小,预留一定的功率余量,确定供电模块;然后,根据电路供电要求,确定上电顺序。本设计电源组成与上电顺序控制如图2所示。
2系统概述
本设计是基于ATCA架构主板,核心采用采用飞思卡尔公司高性能PowerPC双核处理器,充分利用MPC81D提供的接口,提供了实施数据处理与存储管理的设备和SerialRapdiIO、千兆以太网口、SATA2等多种高速数据接口,具有信号高性能处理和高速传输能力。系统结构框图如图1所示。
3系统设计与硬件实现
3.1MPC81D处理器简介
飞思卡尔的MPC81D双核处理器是在e600内核和PowerQUICCTM片上系统(SoC)基础上开发的,有AltiVec® 128位矢量处理引擎,提供突破性的性能、连接及集成功能,芯片提供2
王长清:博士生
-6-360元/年邮局订阅号：82-946图1信号处理与存储平台的结构框图
系统首先使能CPLD实现了系统上电顺序状态控制逻辑。
四个PTH04070W,同时提供VCC_1.2V、VCC_1.8V、VCC_2.5V、VCC_3.3V;然后使能三个YNC12S20提供VCore电压;最后,使能TPS51116给DDR2供电。供电时序除要求严格满足MPC81D上电时序要求,尤其要求满足下面两条,详见参考文献。
*电压的建立时间最大不能超过20毫秒。
*VCC_DDR_IO电压达到工作电压的10%时,VCore电压
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理。将缓冲驱动芯片的地址信号和数据信号反接到FLASH,从硬件上实现端模式的转换,具体信号连接如图4示。
另外,FLASH的片选地址应该覆盖MPC81D的复位向量地址0Xfff00100,用于系统上电时,运行FLASH中0Xfff00100处的上电引导程序映像文件。
要求达到工作电压的90%以上。
图2电源组成与控制框图
3.3时钟电路的设计与实现
系统需要时钟的类型较多,时钟的实现电路较为复杂,需要提供32.768KHz、14.318MHz、25MHz、48MHz、100MHz、125MHz的单端时钟信号和100MHz、125MHz的差分时钟信号。时钟电路组成与控制如下图3所示。
图3时钟电路组成与控制框图
3.4存储功能的设计与实现
本单元包括DDR2SDRAM,FLASH,EEPRAM和SATA2电路的设计实现。
3.4.1DDR2SDRAM电路设计
MPC81D支持两个的位DDR2控制器,这些存储器控制器是集成在内部的,因此不仅简化了设计,而且不再需要使用外部的桥接芯片。本设计的DDR2库,在物理上是用分立器件实现的,采用Micron公司的DDR266SDRAMMT47VM16芯片,单芯片的数据宽度选择为l6位,需要4片并联以构成位数据总线。
为了提升系统性能,本设计利用MPC81D提供的两个的位DDR2控制器,经过配置可以支持两个存储器控制器之间的交错事务,可以为系统设计师提供两大好处:首先,让处理器充分发挥存储器控制器的带宽优势;其次,它允许一次打开两倍具有空间方位性的DRAM页,这样可以显著提高打开页被访问到的概率,从而减小延迟。
3.4.2FLASH电路设计
LocalBus控制器的GPCM控制模式支持FLASH接口,但是需要通过带三态输出的缓冲驱动芯片将MPC81DLocalBus端地址和数据复用的信号转换为FLASH支持的地址和数据信号。需要注意的是PowerPC体系是采用大端模式,而FLASH采用小端模式,不同端模式的访问需要进行特殊的处《PLC技术应用200例》
图4FLASH电路连接示意图
3.4.3SATA2电路设计
在南桥ULI1575上已经集成了4个SATA2的控制器,支持
发差分数据信号接滤波AHCI特性和3.0Gib/s数据速率,在收、
电容,通过SATA卡座连接带SATA2接口的SSD盘,通过软件配置可以构成RAID磁盘阵,实现数据的高速存储。SATA2信号是高速差分信号,PCB设计时,差分信号对的走线长度差别应小于5mil,走线间距是走线相对于参考平面高度的6至10倍,差分对的走线间距不要超过150mil,差分对的差分阻抗必须为100欧姆。
3.5系统控制电路设计与实现
系统控制功能由CPLD来实现,主要完成下面图5示系统控制逻辑。
*将COP/JTAG复位信号并入处理器复位信号,详见参考文献。
*提供控制寄存器,控制系统启动配置信息,设置系统时钟和电压。
*设备系统(PHY、FLASH、LOCALBUS和M1575)的复位信号的产生。
技术创新
图5系统控制逻辑框图
3.6数据接口的设计与实现
本设计中,充分利用MPC81D提供的接口功能,对外提供SerialRapidIO、千兆以太网接口、USB2.0三种高速数据接口。在MPC81D上支持SerialRapidIO高速I/O接口,通过Zone2口接到ATCA交换板。
集成的4个增强三速以太网控制器提供MAC控制,PHY功能使用Marvell公司的88E1145芯片实现。在实现以太网功能时,需要注意MAC和PHY的工作模式的配置,将MAC配成RGMII模式,接RJ45接口的三个PHY配成RGMIItoCopper模式,接光纤接口的一个PHY配成RGMIItoFiber模式。
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Biography:ANFu-ju(1985-),female,Hannationality,graduatestudentinJilinUniversity,researchofIntelligentcontrolandembededsystem.(130012吉林长春市吉林大学计算机科学与技术学院)安富菊
秦贵和王富昕张晋东
女生完成。实验目的是验证系统对特定人语音的识别率。
实验过程如下:参与人各自完成28个语音命令的训练,然后选择10个词汇进行识别,每个词汇识别10次,将识别结果记录下来。根据实验结果,计算每一个单词的识别率,如图5所示。圆形表示女生命令的平均识别率,正方形表示男生命令的平均识别率,横坐标表示命令数,纵坐标表示平均识别识别率。
(CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversi-ty,Changchun,130012,China)ANFu-juQINGui-heWANGFu-xinZHANGJin-dong
通讯地址:(130012吉林春市吉林大学前卫南区计算机楼A216)安富菊
(收稿日期:2009.07.30)(修稿日期:2009.10.30)
图5实验结果
由统计结果可知,语音接口对男生的识别率可达98%,对女生的识别率可达97%,可以满足实际应用的要求。
6结语
本文所设计的语音接口通过麦克风接受语音命令,然后将语音命令转换为对应设备的控制命令,通过MOST25网络收发器发送到MOST25网上。实验结果证明语音接口对特定人具有较高的识别率。但是从车载应用的角度来说,某些语音命令应是非特定人的,比如音响音量控制等。可以在现有工作的基础上,开发针对非特定人的语音接口。目前,国内的MOST技术还处于引进国外的MOST设备安装在高档轿车上的状态,因此研究基于MOST网络的车载语音接口对汽车电子及其相关技术和产品的国产化有重要意义。
本文创新点:本文应用RSC4128设计并实现的车载语音接口能准确识别小词汇量的语音命令,并能通过MOST网络控制相应的设备,实现了一种安全的车载设备人机交互的新方式,可以实际应用。
项目经济效益:具有强大的市场推广潜力,对提高信息与电子技术产品的市场竞争力具有重要意义。参考文献
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作者简介:安富菊(1985-),女,汉族,吉林大学硕士研究生,主要研究方向:智能控制与嵌入式系统;秦贵和(1962-),男,汉族,吉林大学教授,博士生导师,主要从事智能控制与嵌入式系统的研究。《PLC技术应用200例》
(上接第7页)南桥ULI1575上集成了8个USB接口,本设计中,仅使用18个USB接口,连接到前面板。
MPC81D上有两个IICbus,IICbus1接一个IIC接口的EEPROM,设计中选用AT24CA,IICbus2接一个温控芯片ADT7461,用于监测CPU的温度。MPC81D串口信号通过RS232收发器MAX3322E接RJ45口,供系统调试使用。
技
目前,成功完成了硬件平台开发和Linux-2.6.23内核的移
该平台术植,嵌入式linux系统已经稳定的运行在该硬件平台上。
具有数据和信号处理能力强、数据传输速度快、功能扩展方便
通用性强,适用面广等特点。本设计为互联网、电信、雷达、创快捷、声纳、等领域的高端多核嵌入式系统的开发提供了一种新的设
新计方案和实现途径,具有很好的应用和参考价值。
4结束语
本文作者创新点:1.优异集成功能,集成SerialRapdiIO、
千兆以太网、SATA2和USB2.0高速数据接口。2.支持交错事务的DDR2存储器控制器硬件设计。3.双核CPU设计,支持SMP和ASMP系统。参考文献
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[5]PICMG.AdvancedTCABaseSpecification[Z].Rev.3.0,2008.作者简介:王长清(1973-),男,中国科学院声学研究所博士生,主研方向:信号处理和嵌入式系统设计;岑凡,博士生;蔡惠智,研究员。
Biography:WANGChang-qing(1973-),Male,(HanNationality),Henan,InstituteofAcoustic,ChineseAcademyofScience,PH.DCandiadate,Researcharea:SignalProcessingandEmbeddedSystemdesign.(100190北京中国科学院声学研究所)王长清岑凡蔡惠智(InstituteofAcoustic,ChineseAcademyofScience,Beijing100190,China)WANGChang-qingCENFanCAIHui-zhi通讯地址:(100190北京北四环西路21号中国科学院声学研究所DSP大楼30二部五室)王长清
(收稿日期:2009.08.06)(修稿日期:2009.11.06)
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